CN114226083B - 基于转化热源机理的超重力离心装置温控系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种基于转化热源机理的超重力离心装置温控系统，所述超重力离心装置包括可绕旋转轴线转动的旋转臂和固定于所述旋转臂的试验舱，所述温控系统包括：旋转罩，可绕所述旋转轴线转动，所述旋转臂和所述试验舱位于所述旋转罩内；固定壁，处在所述旋转罩的外围，所述旋转罩和所述固定壁之间为第一空间；冷却系统，和第一空间换热。本申请提供的基于转化热源机理的超重力离心装置温控系统，能够适应高转速运行条件下的实验需求。

Description

基于转化热源机理的超重力离心装置温控系统

技术领域

本申请涉及超重力技术领域，特别是涉及基于转化热源机理的超重力离心装置温控系统。

背景技术

超重力离心装置由通过高速转动形成的离心力来模拟超重力环境，超重力场有诸多应用，例如，利用超重力环境中的缩尺效应实现土力学的物理模拟，校验本构模型，还可利用超重力场中的传质、传热强化效应减小反应设备体积，提高效率，或制备新材料等。

超重力离心装置大多包括转动部分、固定部分和填充于两者间的流质，以转动部分为旋转臂和试验舱，固定部分为机房的超重力离心装置为例，随着转动部分转速加大，摩擦热将导致装置温度迅速上升，为确保超重力离心装置安全运行，必须采取温控措施。

现有的温控方法大多依据原有超重力离心装置自身结构和运行特点，将液冷系统、风冷系统与之结合，最简单的如室内通入冷风、室壁液冷等。现有这种在超重力离心装置之外附装温控系统的方式，试图通过设计合理的冷却装置以提高散热速率，当超重力离心装置以较高转速运行时，控温能力需进一步提高。以我国在建的超重力离心模拟与实验装置为例，常规的风冷系统的冷却效率有限，还可能引发额外振动，影响模拟结果的准确性。

因此，有必要改进超重力离心装置的温控系统，以适应高转速的温控需求。

发明内容

本申请提供了一种基于转化热源机理的超重力离心装置温控系统，能够适应高转速运行条件下的实验需求。

本申请提供的基于转化热源机理的超重力离心装置温控系统，所述超重力离心装置包括可绕旋转轴线转动的旋转臂和固定于所述旋转臂的试验舱，所述温控系统包括：

旋转罩，可绕所述旋转轴线转动，所述旋转臂和所述试验舱位于所述旋转罩内；

固定壁，处在所述旋转罩的外围，所述旋转罩和所述固定壁之间为第一空间；

冷却系统，和第一空间换热。

以下还提供了若干可选方式，但并不作为对上述总体方案的额外限定，仅仅是进一步的增补或优选，在没有技术或逻辑矛盾的前提下，各可选方式可单独针对上述总体方案进行组合，还可以是多个可选方式之间进行组合。

可选的，所述旋转罩固定连接于所述试验舱或所述旋转臂。

可选的，所述旋转罩为封闭结构，且包括柱面体以及封闭所述柱面体两端的端面，至少一所述端面设有转轴通过孔。

可选的，所述柱面体为圆柱面。

可选的，还包括隔热层，所述隔热层设置于所述旋转罩的内表面、外表面、或中部的至少一处。

可选的，所述固定壁包括侧壁、顶壁和底壁，所述侧壁围成筒形结构，所述顶壁和所述底壁封闭所述筒形结构的两端。

可选的，所述冷却系统包括冷却液循环管路，所述冷却液循环管路埋设于所述固定壁的壁体内；或所述冷却液循环管路敷设于所述固定壁的内表面或外表面。

可选的，所述冷却系统还包括风冷管路，所述风冷管路包括设置于所述固定壁的进风口和回风口，所述进风口用于向所述第一空间输送冷风，所述回风口用于排出所述第一空间内的气体。

可选的，沿所述进风口的冷风喷射路径大致与所述旋转罩的外表面相切。

可选的，所述回风口的位置靠近所述旋转轴线。

本申请提供的基于转化热源机理的超重力离心装置温控系统，能够适应高转速运行条件下的实验需求。

附图说明

图1为本申请一实施例的侧视图；

图2为本申请一实施例的俯视图。

图中附图标记说明如下：

1、旋转臂；2、试验舱；3、旋转罩；31、柱面体；32、端面；4、固定壁；41、侧壁；42、顶壁；43、底壁；5、进风口；6、回风口。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要说明的是，当组件被称为与另一个组件“连接”时，它可以直接与另一个组件连接或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

提高转速对超重力离心装置的模拟性能和科学研究有重要的意义，高转速的超重力离心装置不仅对温控系统的散热能力提出了更高的挑战，还对试验舱的振动要求更为严格，传统的温控系统配置模式已难以满足高转速运行条件下的实验需求。

针对以上问题，本申请提供了一种基于转化热源机理的超重力离心装置温控系统，温控效果佳，能够满足高转速运行条件下的实验需求。

参考图1、图2，本申请的超重力离心装置包括旋转臂1、试验舱2，温控系统包括旋转罩3、固定壁4以及冷却系统。旋转臂1可绕旋转轴线(参考图1中的虚线)转动，试验舱2固定于旋转臂1，旋转罩3可绕旋转轴线转动，旋转臂1和试验舱2位于旋转罩3内。固定壁4处在旋转罩3的外围，旋转罩3和固定壁4之间为第一空间，冷却系统和第一空间换热。

本实施例的旋转臂1、试验舱2以及相应的旋转驱动系统均可采用现有技术。旋转罩3能够与旋转臂1朝相同的方向旋转，本实施例对旋转罩3在运行状态下的转速不做限制，可以与旋转臂1转速相同，也可以低于或高于旋转臂1的转速。旋转罩3至少大致在周向上对旋转臂1和试验舱2呈包围态势，旋转罩3可以是完全密闭的壳体结构，也可以留有必要的开口或孔隙。本实施例的固定壁4可以是现有机房的室壁，也可以是在机房内另设的结构。

传统超重力离心装置的温控系统主要用于散热，而散热系统的散热效率受超重力离心装置的空间布置和能耗费用的限制，对温度控制的贡献是有限的。此外，如果因振动的限制不采用传统的风冷系统，那么旋转臂1与气体摩擦产生的热量不能直接被带走，热量只能通过对流和导热的方式从机房壁散出，热量容易积聚，导致温控失败。

本实施例通过设置旋转罩3，较好地解决了高转速下温控问题和振动问题。

超重力离心装置的热量主要来源于介质内或介质间的摩擦热。沿远离旋转轴线的方向，试验舱2的运动速度最快，机房内气体旋转的流速逐渐降低，机房室壁的速度为零。而热量主要产生于速度梯度最大的边界层。传统超重力离心装置的热源或边界层主要有两个：一是气流与旋转臂1、试验舱2之间的边界层，称之为第一热源；二是气流与机房壁之间的边界层，称之为第二热源。传统的气冷和液冷系统主要通过吸收第一热源、第二热源的热量来控制温度。

本实施例在最理想的状况下，旋转臂1、试验舱2、旋转罩3以及旋转罩3内的气体能够以相同的角速度作为一个整体同步旋转，而相互之间都相对静止，没有相对摩擦，这样就从源头上消除了第一热源。

在其他运行条件下，例如旋转罩3的旋转角速度低于旋转臂1的转速，本实施例的超重力离心装置在流场稳定后，旋转罩3与附近气流间的流速差减小，也能在较大程度上减少了第一热源的产生，减轻散热系统的压力。

传统的温控方法中效果较好的有在旋转的试验舱2外侧喷射冷却介质、在旋转臂1内部建立冷却介质循环回路，这类方法通过在空间极限上尽可能的接近第一热源以实现温度控制，但这类致冷结构只是在提高冷量输送效率和换热速率上做出改进，通过用冷量来平衡已产生的热量，温控效果有限。

本实施例通过设置旋转罩3，从源头上减少或消除了第一热源的产热量，为超重力离心装置的温度控制提供了另一思路和可能性。

设置旋转罩3后，热量来自旋转罩3与固定壁4之间的第一空间，通过合理地设置旋转罩3的尺寸与空间位置，可以使第一空间远离试验舱2，这样就成功地将提高换热速率与随附的振动问题解耦，较好地满足了高速运行状态下超重力离心装置的温控需求。

此外，随着旋转罩3内产热量减小，不需要在旋转罩3内使用传统的气冷系统，这样就有效减少了振动的产生。

具体的，旋转罩3可以直接固定连接于试验舱2或旋转臂1，以实现旋转罩3内流体与其他固体旋转构件的同步旋转。

有必要时，也可为旋转罩3单独另设一驱动器，使旋转罩3能够以低于旋转臂1的角速度运行，这样就能在试验舱2和固定壁4之间形成一转速居中的过渡界面，通过设置旋转罩3的转速可避免任一处速差过大而过热。

旋转罩3可以为半封闭的筒状结构，筒状结构的两端延伸至机房壁处以形成密封。

旋转罩3也可以为封闭结构，且包括柱面体31以及封闭柱面体31两端的端面32，至少一端面设有转轴通过孔。封闭结构阻隔了旋转罩3内部气体与外部气体的对流，有利于旋转罩3内流场的快速稳定。

柱面体优选为圆柱面。现有超重力离心装置的试验舱2受体积限制，难以做成完美的旋转对称体，运行时风阻大，影响转速提升且能耗大。本实施例通过将旋转罩3设置为两端封闭的圆柱体，极大减小了风阻，更适应高度运行。

为了阻止第一空间内产生的热量传入旋转罩3内部，基于转化热源机理的超重力离心装置温控系统还包括隔热层，隔热层设置于旋转罩的内表面、外表面、或中部的至少一处。例如可在旋转罩3的内表面设置隔热板，在旋转罩3的外表面涂覆隔热材质，在旋转罩3内设置真空夹层等。

固定壁4包括侧壁41、顶壁42和底壁43，侧壁41围成筒形结构，顶壁42和底壁43封闭筒形结构的两端。例如固定壁4整体为棱柱形、圆柱形等。

冷却系统包括冷却液循环管路，冷却液循环管路埋设于固定壁4的壁体内；或冷却液循环管路敷设于固定壁4的内表面或外表面。当冷却液循环管路敷设于固定壁4的外表面时，固定壁4优选导热材质以降低热阻。当冷却液循环管路敷设于固定壁的内表面时，更靠近旋转罩3，缩短传热路径，冷却液循环管路可进一步沿环形延伸以减少风阻。

冷却系统还包括风冷管路，风冷管路包括设置于固定壁4的进风口5和回风口6，进风口5用于向第一空间输送冷风，回风口6用于排出第一空间内的气体。通过将进风口5和回风口6设置于固定壁4，喷射气流主要作用于第一空间内，由于旋转罩3的阻挡，喷射气流对旋转罩3内流场的扰动很小，从而突破了高速超重力离心机不能使用风冷系统的限制。

沿进风口5的冷风喷射路径大致与旋转罩3的外表面相切。具体的，进风口5可设置多处，分别朝旋转罩3的柱面体31或端面32喷射冷风，且冷风喷射方向大致与旋转罩3的旋转方向一致。以圆柱形的柱面体31为例，运行状态下柱面体31沿图2中弧线箭头所指的顺时针方向旋转，进风口5引导气流大致沿图2中直线箭头所指方向喷射，且沿该直线箭头延伸的直线大致与柱面体31的圆形截面相切。这样设计主要作用有：第一，可有效降低风冷对旋转罩3的冲击扰动，从而减小振动的产生。第二，使旋转罩3与外侧随流气体的相对转速较小，降低了旋转罩3与随流气体间的边界层内的热源产热量(当相对转速为零时该热源消失)，使主要热源更远离试验舱2。第三，冷风能够直接对旋转罩3和固定壁4进行冷却。

回风口6的位置靠近旋转轴线。当超重力离心装置以高速运行时，旋转罩3内部以及旋转罩3与固定壁4之间第一空间内的气体携带大量动能，且靠近旋转轴线处气体动能较小，将回风口6设置在靠近旋转轴线处可降低排出气体的动能，进而降低超重力离心装置的整体旋转能耗。

进风口5在侧壁41设置多处，各进风口5在侧壁41的周向上均匀排布，以减小振动。沿旋转轴线方向，进风口5靠近试验舱2的中部，振动较小。为进一步减小振动，试验舱2大致位于旋转罩3的中部。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。不同实施例中的技术特征体现在同一附图中时，可视为该附图也同时披露了所涉及的各个实施例的组合例。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.基于转化热源机理的超重力离心装置温控系统，所述超重力离心装置包括可绕旋转轴线转动的旋转臂和固定于所述旋转臂的试验舱，其特征在于，所述温控系统包括：

旋转罩，可绕所述旋转轴线转动，所述旋转臂和所述试验舱位于所述旋转罩内；所述旋转罩与旋转臂和试验舱同步转动，或所述旋转罩以低于旋转臂和试验舱的角速度同向转动；

固定壁，处在所述旋转罩的外围，所述旋转罩和所述固定壁之间为第一空间；

冷却系统，和第一空间换热。

2.根据权利要求1所述的基于转化热源机理的超重力离心装置温控系统，其特征在于，所述旋转罩固定连接于所述试验舱或所述旋转臂。

3.根据权利要求1所述的基于转化热源机理的超重力离心装置温控系统，其特征在于，所述旋转罩为封闭结构，且包括柱面体以及封闭所述柱面体两端的端面，至少一所述端面设有转轴通过孔。

4.根据权利要求3所述的基于转化热源机理的超重力离心装置温控系统，其特征在于，所述柱面体为圆柱面。

5.根据权利要求1所述的基于转化热源机理的超重力离心装置温控系统，其特征在于，还包括隔热层，所述隔热层设置于所述旋转罩的内表面、外表面、或中部的至少一处。

6.根据权利要求1所述的基于转化热源机理的超重力离心装置温控系统，其特征在于，所述固定壁包括侧壁、顶壁和底壁，所述侧壁围成筒形结构，所述顶壁和所述底壁封闭所述筒形结构的两端。

7.根据权利要求6所述的基于转化热源机理的超重力离心装置温控系统，其特征在于，所述冷却系统包括冷却液循环管路，所述冷却液循环管路埋设于所述固定壁的壁体内；或所述冷却液循环管路敷设于所述固定壁的内表面或外表面。

8.根据权利要求1所述的基于转化热源机理的超重力离心装置温控系统，其特征在于，所述冷却系统还包括风冷管路，所述风冷管路包括设置于所述固定壁的进风口和回风口，所述进风口用于向所述第一空间输送冷风，所述回风口用于排出所述第一空间内的气体。

9.根据权利要求8所述的基于转化热源机理的超重力离心装置温控系统，其特征在于，沿所述进风口的冷风喷射路径大致与所述旋转罩的外表面相切。

10.根据权利要求8所述的基于转化热源机理的超重力离心装置温控系统，其特征在于，所述回风口的位置靠近所述旋转轴线。

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